品质至上，客户至上，您的满意就是我们的目标
技术文章
当前位置: 首页 > 技术文章
WIWAM高通量植物表型平台—拟南芥生长与菌株互作
发表时间：2022-01-21 14:01:30点击：1051
WIWAM高通量植物表型平台由比利时SMO公司与Ghent大学VIB研究所研制生产，整合了LED植物智能培养、自动 化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分 析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术，以较优化的方式实现大量植物样 品——从拟南芥、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植 物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。
呼吸 CO2 结合内生 Serendipita 菌株释放的挥发物混合物强烈刺激拟南芥的生长，涉及生长素和细胞分裂素信号传导
摘要：根际微生物可以通过许多不同的方式改变植物的生理和形态，包括通过释放挥发性有机化合物（VOCs）。本文证明了来自有益根内生植物Serendipita spp.的挥发性有机化合物能够改善体外生长的拟南芥幼苗的性能，植物生物量增加了9.3倍。暴露于VOC的植物的其他变化包括叶柄伸长、表皮细胞和叶面积扩大、侧根系统延长、提高光系统II（Fv/Fm）的最大量子效率以及高水平花青素的积累。尽管影响的大小高度依赖于试验系统和培养基，但每个受检菌株的挥发性混合物，包括参考S.indica和S.williamsii，表现出类似的植物生长促进活性。通过结合不同的方法，我们提供了强有力的证据，证明不仅真菌呼吸二氧化碳在顶空中积累，而且其他挥发性化合物也有助于观察到的植物反应。挥发性分析表明，苯甲酸甲酯是最丰富的真菌挥发性有机化合物，特别是由引起植物生长促进的Serendipita培养物释放。然而，在我们的实验条件下，苯甲酸甲酯作为唯一挥发物的应用并未影响植物的性能，这表明涉及其他化合物，或者挥发性有机化合物的混合物，而不是单分子，解释了强烈的植物反应。在一些主要的植物激素信号转导途径中使用拟南芥突变体和报告系进一步揭示了生长素和细胞分裂素信号在Serendipita VOC诱导的植物生长调节中的作用。尽管我们还远未将现有知识转化为Serendipita的实现。
关键词：内生Sebacinales；真菌挥发物；植物激素信号；梨状孢菌属；植物生长和发育；植物-微生物相互作用
在寻找化肥和植物保护产品的可持续替代品时，已经广泛探索了使用有益的根际微生物和/或其生物活性化合物作为潜在的生物肥料、植物刺激剂和生物防治剂。在此背景下，内生菌 Serendipita indica（原 Piriformospora indica）及其在 Serendipitaceae 内的近亲（Sebacinales、Agaricomycetes、Basidiomycota）因其广泛的寄主谱和对植物发育的各个方面的积极影响而引起了人们的关注。它们被认为在可持续作物生产系统和发展中国家资源有限的小规模农业中具有巨大的应用潜力。例如已经证明，用刚果 Serendipita 菌株对几种作物进行体外接种提高了植物应对不利（a）生物条件的能力。有趣的是，基于接种拟南芥幼苗的体外测定，还确定在与刚果分离株或参考菌株 S. indica 和 S. williamsii 物理接触之前出现阳性植物生长反应，表明涉及生物活性可扩散化合物。对于 S. indica，确实已经证明拟南芥根结构受到可扩散的真菌因子的影响，其作用可以被生长素模拟。然而，尽管 S. indica 能够在液体培养中产生吲哚-3-乙酸，但植物生长的改善似乎是由真菌菌丝分泌物中的不同（未知）成分引发的。此外，希尔伯特等人表明，菌丝体合成的生长素不是促进生长所必需的，而是大麦根的生物营养定植所必需的。类似地，尽管由 S. indica 产生的顺式玉米素和异戊烯基腺嘌呤型细胞分裂素可能在与拟南芥的有益相互作用中发挥重要作用，但它们并不是导致观察到的植物生长效应的难以捉摸的生物活性化合物。
我们的主要观察结果表明在建立物理接触之前，植物的芽和根对 Serendipita 接种反应良好。因此在当前的研究中，使用不同的实验设置检查了刚果 Serendipita 分离株在体外产生的 VOC，并将它们对拟南芥与两个参考菌株的形态和生理特征的影响进行了比较。评估了养分可用性以及真菌代谢对这些植物反应的影响，并评估了真菌呼吸 CO2 和其他挥发性化合物对观察到的植物生长促进的相对贡献。还分析了在不同条件下生长的 Serendipita 分离株的挥发性混合物的组成，以试图确定与积极植物反应有关的化合物。最后，使用突变体和报告系，评估了主要植物激素途径在观察到的 VOC 介导的芽和根修饰中的假定作用。总而言之，将我们的数据与其他 VOC 研究的数据相结合，提出了一种关于 Serendipita 分离株采用的这种新机制来改变其宿主发育的模型。
图1.PDA生长的 Serendipita 分离株30对在含有0%、1%和3% 蔗糖的½ MS上生长的拟南芥的挥发物产量的影响
为了评估 Serendipita 挥发性产量对拟南芥的影响，建立了盒内培养皿共培养试验，其中真菌在 PDA 上培养，而幼苗在补充有蔗糖的 ½ MS 培养基上生长（0%、1% 和 3%）。分离株 30 被选为测试生物，因为它在之前的直接接触测定中具有高生长率和强大的植物生长促进 (PGP) 能力。共培养 10 天后，在 VOC 处理的植物中观察到明显的芽和根生长诱导，但随着植物培养基中蔗糖水平的增加，相对于没有真菌的对照的反应变得不那么明显（图 1A） .在分别含有 0%、1% 和 3% 蔗糖的 MS 培养基上记录到的芽FW增加了6.6、3.7和1.9倍（图 1B），这构成了生长促进程度的显着降低，具有改善的植物养分有效性（t检验1%对0%和3% 对 1%，P<0.001），主要是由于对照中糖驱动的刺激作用（t 检验，P < 0.05）。此外，VOC 处理过的植物的叶柄更长，它们的叶子看起来更健壮（即更厚/更硬）和更暗（图 1A）。多光谱成像显示，这种较深的颜色归因于花青素色素积累（图 1C），而不是叶绿素含量增加（图 1D）。尽管叶绿素指数值 (ChlIdx) 不受真菌处理的强烈影响，但通过叶绿素荧光参数 Fv/Fm 在暗适应植物中测量的 PSII 光化学的最大量子效率被真菌VOC显着提高（图1E）。
图2. Serendipita 在分裂板试验中对拟南芥生长的VOC介导影响
接下来研究了其他Serendipita分离株是否会引起不同的植物生长反应。因此，在I-plate检测中筛选了51个刚果分离株和参考菌株S.indica和S. williamsii。与对照处理相比，所有 Serendipita 分离株均诱导拟南芥枝条生物量增加，在连续范围内变化5到9.3倍。然后，为暴露于来自S. indica、S. williamsii的VOC的个体植物准备叶子系列，以及刚果收集（图 2A）中用于我们报告的直接接触实验。如图2B所示，总枝条生物量的增加是叶柄伸长和叶面积扩大（高达 3.7 倍）的综合结果。与未经处理的植物相比，暴露于VOC的植物中的背面表皮铺面细胞至少大两倍（图 2C、D），这意味着叶面积扩大在很大程度上可归因于细胞增大而不是细胞数量增加。
图3.VOC介导的对拟南芥根发育的影响，在垂直设置中使用精选的 Serendipita 分离株进行检查
为了查看根结构的调制，使用了垂直板设置。在共培养4天和8天后进行评估（图 3A、B）。4天后，与未处理的对照相比，Serendipita VOC导致主根长度最大增加1.2倍（S. williamsii）（图 3C），侧根长度增加9.6倍（隔离 30）（图 3D）和2.7倍（隔离1）的侧根密度（图 3E），导致总根长增加2.4倍（隔离 30；补充图 S9）。实验结束时，处理后的植物与对照相比，初生根、侧根和总根长分别增加了 1.6、16.1 和 5.7 倍，侧根密度增加了3.1倍。隔离 46)。在测试菌株之间没有检测到显着差异，并且分离株之间正根效应程度的变化与地上部生物量增强的趋势相当（图 3C-E）。
图4.拟南芥中 VOC 介导的植物生长促进程度取决于 Serendipita 培养基
接下来评估了在 I-split-plate 试验中在七种不同培养基上培养的代表性 Serendipita 分离株 30 排放的 VOC 混合物的影响，以确定真菌的代谢活性是否影响共培养的结果。四种真菌培养基（MYP、MEA、CM、PDA）和三种含有较少营养物质的植物培养基进行测试。在VOC暴露10天后，当真菌在MEA、CM 或 PDA 上培养时，记录了对芽和根生长的最强影响。此外，使用这些培养基，获得了更健壮和更深绿色的植物（图 4A）。真菌在无蔗糖的 PNM或½MS上的生长几乎不会调节植物发育，而在½ MS上用 1% 蔗糖或 MYP 的生长诱导了中间反应（图 4A）。暴露于MEA、CM和PDA培养物挥发物的代表性植物的叶子系列显示具有长叶柄和大叶表面积的深色叶子（图 4B）。尽管用½MS和1%蔗糖或在MYP上产生的挥发物处理导致浅绿色叶子，中间叶柄和表面积比在更丰富的培养基上小约1.25到1.5倍，但与这些培养基相比，在这两种培养基上都长出了额外的叶子到控件。最后，在没有蔗糖的PNM或½MS上生长导致苍白、短叶柄、小叶，与对照叶没有区别（图4B）。当分离株30在不含或含1%或3%蔗糖的½MS上或在PDA上生长时，在盒装培养皿实验装置中获得了可比的结果（图4C）。共培养10天后，测得的芽生物量分别增加了1.1、6.6、7.0和 7.9倍（图4D）。此外，所有处理的Fv/Fm比率都高于对照值，但对于使用三种最丰富培养基的处理，比率高于没有蔗糖的½ MS上真菌生长记录的比率（图4E）。类似地，与在无糖培养基和未处理对照中的真菌生长相比，与在PDA上生长的分离株30和含有1/2 MS的蔗糖（1%和3%）共培养的植物中的花青素和叶绿素含量更高。
相关阅读
WIWAM高通量植物表型组学、植物表型成像、种质资源研究系统-玉米研究
WIWAM高通量植物表型组学、植物表型成像、种质资源研究系统-水稻线虫
WIWAM高通量植物表型组学成像分析-拟南芥的全基因关联图谱
WIWAM高通量植物表型组学成像研究—拟南芥和玉米转基因品系的功能分析
WIWAM高通量植物表型组学成像分析-轻度干旱条件下生长反应的遗传结构
WIWAM高通量植物表型组学成像研究—轻度干旱胁迫的叶片响应
WIWAM植物表型分析平台—光照和植物几何形状对叶片反射光谱的影响
WIWAM高通量植物表型平台应用—干旱胁迫下拟南芥的存活和生长研究
